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자혜 자 함
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1 한국조명 전기설비학회 2006 춘계학술대회논문집 ( ~12) 광센서조광제어시스템의소비전력평가 (Evaluation of Energy Consumptions in Daylight Responsive Dimming Systems) 이순지 * 최안섭 ** (* 세종대학교건축공학과석사과정 ** 세종대학교건축공학과교수 ) (Soon-ji Lee An-Seop Choi) Abstract This study aims to measure amount of the reduction ratio of energy consumptions by the daylight responsive dimming systems, which uses daylighting and electric lighting. The results of this study show that the reduction ratio of electric power is better 'clear sky' by sky condition and 'window side of room' by zoning. When calculating reduction ratio of energy consumptions with used times in real office space, it tells that the result of real office was higher ratio than that of experimental space. For this study which presents efficient use of daylight in office environment, it will be basis of improving energy performance. 1. 서론 1.1 연구의배경최근고유가가지속되면서에너지비용의상승압박이과거보다훨씬높아지고있다. 그리고환경보호문제까지중요해지면서미국, 일본등각국정부에서에너지절감문제에관심을모으고있다. 특히조명용전기에너지의절약에관심이큰데, 이는선진국의경우조명용전기에너지가총전력의 25%, 우리나라의경우 20% 를차지하고있어잠재적인에너지절감량이크기때문이다. 일반적으로사무소건축물에서실내를조명할때 30 50% 정도의에너지를전기에너지로사용한다 [1]. 이러한이유로사무소건축물내에서주광 (Daylight) 을이용한실내조명방식을통해많은양의에너지를절감하려노력하고있으며, 보다나은실내환경을조성하기위해주광을이용하는여러가지방법들을사용하고있다 [2]. 그중에서도주광을이용하여에너지절감을극대화하고최적의실내환경을제공할수있는광센서조광제어시스템이많이사용되고있다. 광센서조광제어시스템은공간에맞는작업면조도를유지하기위해실내로유입되는주광의양을최대한이용하고부족한부분은인공조명으로보충하고제어함으로써전기에너지를절약하는이상적인시스템이다. 이러한시스템은형광램프를주광원으로사용하고주광을보조적으로활용할수있는곳이라면어디든지적용가능하다. 특히, 많은수량의형광램프를사용하고주광이잘들어오는도심의고층사무소건축물에이시스템을 적용하면더욱많은에너지절약효과를기대할수있다 [3]. 그러므로광센서조광제어시스템의적극적인활용은에너지절약의방편일뿐만아니라친환경적인작업공간창출이라는장점을가지게되는것이다. 현재이러한광센서조광제어시스템을적용한시뮬레이션과조명에너지절약및실내조명환경예측에관한연구가활발히진행되고있으며, 기존및신축건축물의조명환경에적용하기위한구체적인기술적연구가함께진행되고있다. 1.2 연구의목적광센서조광제어시스템이에너지절약과친환경적인측면에서효율적이고경제적이라는사실은잘알려져있다. 하지만이시스템의사용으로정확하게얼마만큼의소비전력이절약되고조닝별, 천공상태에따라소비전력절감량이어떻게변화하는지구체적으로알려져있지않다. 따라서본연구에서는시스템운용으로절감되는소비전력을여러가지방법으로분석해보고자한다. 1.3 선행연구분석선행연구에서광센서조광제어시스템의최적화를위해실제공간에시스템을적용하고시스템성능평가를통해발생되는문제점을고찰하여이를수정 보완하는연구를진행하여왔다. 또한시스템성능향상을위한제어기울기수정으로시스템의안정성이향상되었고경제성평가에있어서도더욱많은에너지절약을기대할수있음을알수있었다

2 1.4 연구방법및절차 본연구에서는제어기울기수정후실내에서광센서조광제어시스템을적용하여실제로얼마만큼의소비전력이절감되는지분석하고소비전력절감율이각천공상태에따라, 조닝별어떻게틀린지비교분석해보았다. S대학교내의실제공간에광센서조광제어시스템을적용하였고주광분석을위해기상청에서일 ( 日 ) 별구름양데이터를받아 0 3 은청천공, 4 7 은부분담천공, 8 10은담천공으로그날의천공상태를구분하였다. 주광에따른조광율의변화와그에따른사용소비전력측정으로소비전력절감율을구하였다. 그리고이소비전력절감율을바탕으로사무소건축물의실제사용시간동안소비전력절감율을구하였다. 2. 시스템소비전력평가 2.1 시스템소비전력평가방법소비전력평가를위해실험실에서시스템이작동하고있을때 ( 오전 6시 오후 9시 ) 의소비전력을실내분전반 (EPS실) 에전력계를설치하여측정하였다. 또한이소비전력값을시스템에적용하지않고인공조명을 100% 켰을때의값과비교하여소비전력절감율로산출하고, 조닝별에해당하는조광율을기준으로실내측와창측의소비전력절감율을각각산출하여세가지천공상태에따른소비전력절감율도산출하였다. 천공상태의구분은천공의구름이전혀없는상태를 0으로하고, 구름이완전히덥힌상태를 10으로규정하는 Sky cover 법칙을사용하였다. 본연구에서는 2005년 12월 1일부터 2006년 2월 5 일까지측정한데이터를가지고소비전력을분석하였다. 시스템설치공간에대한내용은표 1과같고그림 1은시스템을설치하고소비전력을측정한실험실의평면을나타낸것이다. 표 1. 시스템설치공간수치 Table 1. Figures of the experimental space 위치서울소재 S대학교내조명실험실크기 9.2m 8.9m 개구부 ( 창 ) 북향, 투과율 : 89% 32W 2등용형광등기구 ( 알루미늄반사갓 ) 12개 ( 창측 6개, 실내측 6개 ) 조명기구 2,800 광센서 그림 1. 시스템측정공간평면도 Fig. 1. Plane for measurement space 광센서는조명기구의배광에직접적으로노출되지않도록중앙지점으로부터 0.5m 떨어진천장에설치하였다. 실의측정데이터인조도값, 출력광속, 전력량의측정위치및측정방법은표 2와같으며측정시간은매일오전 6시부터오후 9시까지였다. 표 2. 실의테이터측정위치및측정방법 Table 2. Location and method of measurement of space data 실의조도값 실의출력광속실의소비전력 광센서와동일선상의작업면높이 ( 바닥으로부터 85cm) 에설치한조도센서에서의측정값으로, 5 분동안의평균값으로저장최적화한조광용전자식안정기의디지털신호값 (0~255) 을램프의출력광속값 (%) 으로저장실내분전반 (EPS실) 에서 5분동안의평균값으로저장 2.2 시스템소비전력 소비전력을평가하기전에측정한데이터와시스템의신뢰성을위하여시스템안정성평가를하였다. 그림 2, 그림 3과같이일별로조광율과조도값을실내측, 창측으로나누어측정시간동안목표조도를잘유지하고있는지분석하였다. 그림 2의실내측데이터를보면측정시간동안작업면조도가목표조도의 ±10% 를항상만족하고있음을알수있다. 그림 3의창측데이터또한, 한낮을제외하고작업면조도가목표조도의 ±10% 를만족하고있으며불규칙한주광유입에도다소조광율의변화가있지만변화하는시간이완만하므로시스템이안전하게구동되고있음을알수있다. 목표조도를기준으로실전체조광에의한평균소비전력을구해본결과 74% 가사용되어 26% 의소비전력이절감되었음을알수있었다. 즉, 목표조도를유지하기위해서 12개의인공조명을 100% 점등한경우에대해실전체기준 74% 의전력만이요구됨을알수있었

다. 본연구에서사용한인공조명의출력광속에따른소비전력을측정한결과는그림 4와같다. 그리고소비전력과기상청에서제공한일별의외부기온을분석해본결과서로큰연관성이없음을알수있었으며오히려실험실실내온도의상승이광센서, 조도계, 데이터로거등의장비에영향을줄수있기때문에일정한온도를유지하는것이중요했다.

3 천공상태에따른시스템소비전력 측정기간까지모두 58일간의데이터중천공상태를분석해본결과청천공 36일, 부분담천공 15일, 담천공 7일이었다. 표 3을보면청천공일때실내측 13%, 창측 43% 의소비전력절감율을나타내었고, 부분담천공일때실내측 12%, 창측 40% 의소비전력절감율을, 담천공일때실내측 7%, 창측 27% 의소비전력절감율을나타내었다.

3 다. 본연구에서사용한인공조명의출력광속에따른소비전력을측정한결과는그림 4와같다. 그리고소비전력과기상청에서제공한일별의외부기온을분석해본결과서로큰연관성이없음을알수있었으며오히려실험실실내온도의상승이광센서, 조도계, 데이터로거등의장비에영향을줄수있기때문에일정한온도를유지하는것이중요했다. 선행연구의경제성평가에서산출한전기에너지절약량에비해본연구에서더높은소비전력절감율이나온이유는제어기울기오차수정을통해시스템이더욱보완되었기때문이다. 그림 4. 출력광속대비소비전력 Fig. 4. Energy Consumptions to dimming percent 2.3 천공상태에따른시스템소비전력 측정기간까지모두 58일간의데이터중천공상태를분석해본결과청천공 36일, 부분담천공 15일, 담천공 7일이었다. 표 3을보면청천공일때실내측 13%, 창측 43% 의소비전력절감율을나타내었고, 부분담천공일때실내측 12%, 창측 40% 의소비전력절감율을, 담천공일때실내측 7%, 창측 27% 의소비전력절감율을나타내었다. 즉, 청천공 > 부분담천공 > 담천공의순으로소비전력절감율이높음을알수있다. 담천공의경우전반적으로주광에의한작업면조도가낮기때문에주로인공조명에의존하므로소비전력절감율이가장낮은것으로보인다. 표 3. 시스템측정시간의평균소비전력절감율 Table 3. Avg. reduction ratio of energy consumptions of measuring time 측정시간 12월1일 ~2월5일 / 오전6시 ~ 오후 9시 천공상태 58일 실전체 실내측 창측 청천공 36일 28% 13% 43% 부분담천공 15일 26% 12% 40% 담천공 7일 17% 7% 27% 그림 2. 조광율과작업면조도 ( 실내측 ) Fig. 2. Illuminance of workplane and dimming percent(position far from the windows) 그림 5는청천공일때 (12월 4일 ) 실내측측정사례이고, 그림 6은창측측정사례이다. 측정시간 (6시 21시) 동안평균소비전력절감율이실내측은 16%, 창측은 47% 로나타났다. 측정사례를통해청천공상태일때소비전력절감효과가다른천공상태에비하여가장우수함을알수있다. 그림 3. 조광율과작업면조도 ( 창측 ) Fig. 3. Illuminance of workplane and dimming percent(position near the windows) 그림 5. 청천공데이터 ( 실내측 ) Fig. 5. Clear sky data

10. Overcast sky data 2 2.4 조닝별시스템소비전력 그림 8. 부분담천공데이터 ( 창측 ) Fig. 8. Partly cloudy clear sky data 2 그림 9는담천공일때 (1월30일) 실내측측정사례이고, 그림 10은창측측정사례이다. 측정시간 (6시 21 시 ) 동안소비전력절감율이실내측은 11%, 창측은 43% 로나타났다.

4 그림 6. 청천공데이터 ( 창측 ) Fig. 6. Clear sky data 2 그림 7은부분담천공일때 (1월14일) 실내측측정사례이고, 그림 8은창측측정사례이다. 측정시간 (6시 21시 ) 동안평균소비전력절감율이실내측은 14%, 창측은 45% 로나타났다. 청천공일때보다소비전력절감율이작지만그림 8의창측데이터를살펴보면낮시간동안의소비전력절감율이최대로잘유지되고있음을알수있다. 그림 9. 담천공데이터 ( 실내측 ) Fig. 9. Overcast sky data 1 그림 7. 부분담천공데이터 ( 실내측 ) Fig. 7. Partly cloudy clear sky data 1 그림 10. 담천공데이터 ( 창측 ) Fig. 10. Overcast sky data 조닝별시스템소비전력 그림 8. 부분담천공데이터 ( 창측 ) Fig. 8. Partly cloudy clear sky data 2 그림 9는담천공일때 (1월30일) 실내측측정사례이고, 그림 10은창측측정사례이다. 측정시간 (6시 21 시 ) 동안소비전력절감율이실내측은 11%, 창측은 43% 로나타났다. 담천공의실내측의경우주로인공조명으로실내작업면조도를유지하기때문에에너지절감율이가장낮게나타나고있다. 담천공일때가장낮은소비전력절감율을보이지만그림 10에서주광유입이가장많은낮시간동안의소비전력을살펴보면비교적높은소비전력절감율을유지하고있음을알수있다. 조닝별로분석해보았을때평균소비전력절감율이실내측은 12%, 창측은 40% 를보였다. 창측의소비전력절감율이더큰이유는낮시간동안의주광유입으로인해인공조명의출력이줄었기때문이다. 천공상태의변화에따라, 실내측은최소 4% 에서최대 23% 의범위를보였으며, 창측은최소 9% 에서최대 58% 의범위를보였다. 실내측의소비전력절감율범위가창측의소비전력절감율범위보다작은것은실내의창가로부터가장멀리떨어져있는인공조명은거의항상점등되어있기때문이며, 창측은외부기상상태에따라주광유입양상이틀려져소비전력절감율의범위가크다. 2.5 사무소건축물의실제사용시간평균소비전력광센서조광제어시스템은특히사무소건축물의조명에너지절약에효율적으로사용할수있는시스템이므로실제사무소건축물의사용시간을고려하여소비전

5 력절감량을구하였다. 먼저기상청에서제공되는 1971 년부터 2000 년까지 30년간의서울지역구름양데이터로본연구의시스템적용기간이었던 12월, 1월천공상태별발생비율을표 4와같이적용하였다 [4]. 표 4의수치를살펴보면청천공과담천공의발생비율이 0 인달이많은데, 이것은일별구름양이시간대별산술평균한중간값으로구해지기때문이다. 본연구에서시스템측정시간은오전 6 시부터오후 9 시까지로일반사무소건축물의실제사용시간인오전 9 시부터오후 6시에이시스템을운용한다고가정한다면실험에서나온값보다더많은소비전력절감율을기대할수있다. 표 5에서자세한소비전력절감율을비교해보았다. 최대의소비전력절감율을예상할수있는, 청천공일때창측의소비전력절감율을시스템측정시간과실제사무소사용시간으로비교해보면 43% 에서 66% 로 1.5배이상커짐을알수있다. 그리고실험실과유사한사무소공간을가정하고 12월, 1월두달간오전 9시부터오후 6시까지의소비전력절감율을구해보니표 6과같은수치가나왔다. 실전체평균소비전력절감율이 12월은 44%, 1월은 51% 로나타났고 1월창측의평균소비전력절감율은 65% 로가장높게나왔다. 표 4. 천공상태발생비율 Table 4. Ratio of frequency of sky condition 1 월 2 월 3 월 4 월 5 월 6 월 7 월 8 월 9 월 10 월 11 월 12 월 청천공 부분담천공 담천공 표 5. 시스템측정시간과사무소건축물실제사용시간의평균소비전력절감율비교 Table 5. Comparison Avg. energy consumptions of consider two type times 오전 6 시 ~ 오후 9 시 오전 9 시 ~ 오후 6 시 천공상태 실전체 실내측 창측 실전체 실내측 창측 청천공 28% 13% 43% 42% 19% 66% 부분담천공 26% 12% 40% 39% 15% 63% 담천공 17% 7% 27% 26% 11% 42% 평균값 26% 12% 40% 40% 17% 62% 표 6. 시스템측정시간과사무소건축물실제사용시간및천공발생비율을고려한소비전력절감율비교 Table 6. Comparison Avg. energy consumptions of consider two type times and Ratio of frequency of sky condition 12 월 ( 오전 9 시 ~ 오후 6 시 ) 1 월 ( 오전 9 시 ~ 오후 6 시 ) 천공상태실전체실내측창측천공상태실전체실내측창측 청천공 0 청천공 3 51% 18% 65% 부분담천공 31 44% 16% 56% 부분담천공 28 51% 19% 65% 담천공 0 담천공 0 평균 44% 16% 56% 평균 51% 19% 65% 3. 결론및향후연구계획 이상과같이본연구에서는광센서조광제어시스템을사용하여 2개월간의소비전력을비교 분석하여소비전력절감율을평가하였다. 이연구를바탕으로실험실과유사한조건을가진실제사무실을적용해서소비전력절감율을이용하면절약가능한실질적전기료를산출할수있을것이다. 다음은본문을요약한것이다. 1) 목표조도를기준으로실전체조광에의한평균소비전력을분석해본결과 26% 의소비전력이절감되었다. 세가지천공상태중에서청천공일때가장높은소비전력절감율을보이고, 조닝별에서는창측의소비전력절감율이가장높게나타났다. 2) 표준천공상태발생비율과사무소건축물의실제사용시간을적용하여소비전력절감율을산출해본결과, 사무공간에서최대 65% 의효과를볼수있음을알수있었다. 사무소건축물의실내조명환경은주로인공조명에의해유지되므로본연구의결과를바탕으로사무소건축물의설계단계에서실질적인에너지절약방안을고려해시스템을적용한다면전기에너지절약효과를크게볼수있을것이다. 본연구에서는북향으로만개구부 ( 창 ) 를갖는공간을조성하여실험하였다. 이것은북향에서는직사일광의유입이없어차양시설이없고, 대부분의사무공간에서직사일광의유입을막기위해블라인드나스크린을설치하기때문이었는데향후연구에서개구부의다양한향과면적, 투과율을고려하여시스템의경제성평가가이루어진다면현재보다더욱활성화가될것이다. 또한남향이고창의면적이큰건물일수록더많은에너지절약이가능하므로직사광선의유입을어떻게효과적으로제어할것인지연구가진행되어야할것이다. 감사의글 본연구는에너지관리공단 2003년에너지자원기술개발사업연구비에의해연구되었음. ( 과제번호 : 2003-E-EL01-P-04) 참고문헌 [1] 육정원, 사무소건물의에너지절약적조명설계및제어, 한양대학교석사논문, [2] 주근탁, 광센서조광제어시스템의효율적인광센서형상에관한연구, 세종대학교대학원석사논문, [3] 최안섭외, 조명시스템의자동화를위한주광센서연동제어시스템의개발연구, 삼성물산 ( 주 ) 건설부문기술연구소, [4] [5] 주근탁, 광센서조광제어시스템의최적의하드웨어구성과성능평가, 세종대학교대학원석사학위논문, [6] 김한성, 소규모사무공간에서디밍제어를이용한조명에너지절약에관한연구, 조명 전기설비학회논문지,

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DBPIA-NURIMEDIA Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers Vol. 24, No.1, pp. 35~44 January 2010 논문 24-1-5 적합한조명시뮬레이션사용을위한주광시뮬레이션과 Mock-up 실험비교에관한연구 (A Study on the Comparison